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国外飞机先进复合材料技术 A d v a n c e dC o m p o s i t e T e c h n o l o g yo fF o r e i g nA i r c r a f t 中航工业北京航空制造工程研究所刘善国 刘善国 中航工业北京航空制造工程研究 所研究员。长期从事复合材料技术和航 空工艺研究。发表国外飞机先进制造 技术发展趋势、先进飞机装配技术及 其发展等多篇论文。并主持伊尔7 6 工艺分析、国外飞机自动化装配技术 选编等著作编写。 先进复合材料比模量、比强度高 ( 见表1 ) ，抗疲劳、耐腐蚀、可设计和 工艺性好，因此复合材料受到飞机结 构设计师的青睐，当前飞机整体复合 材料结构技术成为了发展的重要方 向。 数十年来欧美发达国家实施了 2 6 航空制造技术2 0 1 4 年第1 9 期 国外复合材料技术较系统的持续发展计划促进了高 性能碳纤维、高温高韧性树脂基体和先进的复合材料自 动化制造技术、液体成形技术不断发展，推动了复合材料 整体结构件在飞机上的应用。大幅提升了新一代飞机复 合材料用量。国外飞机结构复合材料技术的发展可作为 我国新一代飞机结构采用复合材料技术的借鉴。 由政府和军方组织、高校与科研机构 参加的多个复合材料发展计划。这 些计划的实施突破了航空复合材料 结构设计、材料、工艺等关键技术，推 动了复合材料技术的迅速发展，起到 了显著的效果。 国外复合材料研究计划及 应用 为了推动复合材料在飞机上 大量应用，欧洲和美国从1 9 8 6 年开 始先后启动了T A N G O ( T e c h n o l o g y A p p l i c a t i o nt ot h eN e a r - t e r mB u s i n e s s G o a l sa n dO b j e c t i v e so ft h eA e r o s p a c e I n d u s t r y ) 、A L C A S ( A d v a n c e da n d L o wC o s tA i r f r a m eS t r u c t u r e ) 、A C T ( A d v a n c eC o m p o s i t eT e c h n o l o g y ) 和 C A I ( C o m p o s i t eA f f o r d a b l eI n i t i a t i v e ) 等计划，见表2 。 通过上述计划的实施，大幅提升 了复合材料在飞机结构上的用量， F 3 5 复合材料用量达到结构重量的 表1 不同材料性能表 比强度， 比模量 材料 密度，( g c m - 3 )拉伸强度M P a拉仲模量，G P a ( 鲴阻字_ c 函 ( M P 啦c 呐 钢 7 81 1 0 02 1 01 4 12 7 铝 2 75 0 07 51 8 5 2 8 钛 4 51 5 0 01 2 0 3 3 32 7 C F R P1 5l6 0 0 - 3 0 0 01 3 0 一1 8 0l0 6 7 2 0 0 08 7 1 2 0 万方数据 表2 国外复合材料研究计划 获得高性价比的飞机复合材料结构 产品。 先进碳纤维和基体树脂 美国飞机能效计划加速复合材料在飞机舵面、机翼和机身等结 1 高性能碳纤维 1 9 7 6 1 9 8 6 5 亿美元 构上的应用，大幅降低飞机燃油成本 日本和美国等发达国家的碳纤 美国维已经形成了系列化的生产供应体 实现先进复合材料设计理念和低成本制造技 l9 9 6 2 ( 砌61 5 2 亿美元 术质的飞跃使复合材料朋量达到飞机结构 材料系。最具代表性的是Et本东丽公司重量的6 0 ，综合成本9 0 形成了从T 3 0 0 到T 1 0 0 0 的T 系列 美国碳纤维产品，东丽公司的碳纤维产品 进一步扩大复合材料在主承力构件的应用范 围完成全尺寸复合材料机翼盒段的设计和 主要分为3 个系列：T 系列( T 3 0 0 、 1 9 9 2 2 0 0 24 3 4 亿美元 地面试验验证，为大型客机飞机复合材料机 T 4 0 0 、T 7 0 0 、T 8 0 0 、T 1 0 0 0 ) 碳纤维、 翼复合材料结构应用提高技术储备 M 系列碳纤维和M J 系列碳纤维。 通过4 个验证平台，采用复合材料和先进金 欧洲美国Hexcel公司20世纪70年代开 2 0 0 l 2 ( ) 0 50 8 5 亿欧元 属材料和制造技术进行技术验证，实现目标 材料计划( T A N G O ) 发了A S 系列P A N 基标准模量碳纤 减重2 0 降低成本2 0 维( 包括A S 4 、A S 4 C 、A S 4 D 及A S 6 等 欧洲碳纤维)，还开发了IM系列PAN基 选用2 种飞机机身和机翼4 验证平台进行验 的机体结构计划 2 0 0 5 - 2 0 0 9I O l 亿欧元 证，实现复合材料在主结构上高质量、低成本 碳纤维，形成了I M 6 、I M 7 、I M 8 、I M 9 、 应用，使复合材料用量达到飞机结构重量的 I M l 0 等系列产品，见表3 。 2 0 3 0 ，减重2 0 一3 0 ，降低成本0 2 0 目0 - 3 l 蕊强豳 疆圈嗣日鞋醅 T 3 0 0 B H T A T 7 0 0 S C r 7 ( ) ( ) G C T 8 0 0 H T 8 ( ) o S A S 2 C A s 4 A S 4 C A S 4 D A s 7 I M 2 A I M 2 C I M 6 I M 7 l M 8 I M 9 I M l 0 3 5 3 0 3 9 2 0 舢 4 9 ( m 5 4 9 0 5 8 8 0 4 4 4 0 4 4 6 0 4 3 7 0 4 7 5 0 4 8 3 0 5 4 5 0 5 7 2 0 5 7 4 0 5 7 6 0 6 1 0 2 6 1 4 0 6 9 6 4 2 3 0 1 5 2 3 51 7 2 3 0 2 1 2 4 02 - 2 2 9 41 9 2 9 42 0 2 2 l1 9 2 3 l1 8 2 3 l1 8 2 4 5I 8 2 4 l1 8 2 7 61 8 2 9 61 9 2 7 91 9 2 9 22 0 3 0 31 8 3 0 41 9 3 0 32 1 万方数据 了标准韧性、中等韧性、高韧性和超 高韧性树脂基体系列。基本型环 氧树脂基复合材料( 标准韧性) 的 C A I 值大约为1 0 0 M P a 1 9 0 M P a ( 如 3 5 0 1 6 A S 一4 等复合材料) ；第一代 韧性环氧树脂基复合材料( 中等韧 性) 的C A I 值大约为1 7 0 2 5 0 M P a ( 如R 6 3 7 6 T 3 0 0 、9 7 7 3 I M 7 等复合 材料) ；第二代韧性环氧树脂基复 合材料( 高韧性) 的C A I 值大约为 2 4 5 31 5 M P a ( 如8 5 5 2 I M 7 、9 7 7 2 I M 7 等复合材料) ；而第三代韧性环 氧树脂基复合材料( 超高韧性) 的 C A I 值已经达到了3 1 5 M P a 以上( 如 3 9 0 0 2 T 8 0 0 、9 7 7 1 I M 7 、5 2 7 6 1 I M 7 和8 5 51 - 7 I M 7 等复合材料) ，参 见图2 。 3 高性能复合材料在飞机上的应用 情况 高性能碳纤维及高韧性树脂复 合材料的出现，使复合材料在飞机结 构上的应用已由原先的次承力结构 发展到机翼、机身等主承力结构。 复合材料在民机( 以波音7 8 7 和 空客A 3 8 0 大型客机为例) 主结构上 的应用情况如表4 所示。从表4 可 以看出，国外民机主结构在选材上采 用了由T 8 0 0 或相当于T 8 0 0 的高强 中模碳纤维与高温固化高韧性环氧 树脂复合的高韧性复合材料，以满足 复合材料主结构的设计损伤容限要 求。 复合材料在军机( 以F 一2 2 为例) 主结构上的应用情况如表5 所示。 从表5 可以看出，美国军机主结构在 选材上采用了由I M 7 高强中模碳纤 维与高温固化高韧性环氧树脂复合 的高韧性复合材料，以满足复合材料 主结构的设计损伤容限要求。 整体复合材料结构制造技术 先进飞机为获得最好的结构性 能和经济效益，在结构设计中不断 追求高减重、低成本和长寿命的目 标，为此，新一代飞机结构的整体化 2 8 航空制造技术2 0 1 4 年第1 9 期 表4 复合材料在民机主结构上的应用情况 水平安定面、垂直 T S 0 0 S 碳纤维日本东丽公司T 8 0 0 S 为高强中模碳纤维 安定面、中央翼盒 水平安定面、垂直 1 M 6 0 0 碳纤维日本东邦公司I M 6 0 0 为高强中模碳纤维 安定面、中央翼盒 A 3 8 0 水平安定面和垂 C Y C O M9 7 7 2 为固化高 C Y C O M9 7 7 - 2直安定面蒙皮、中 美国C Y T E C 公司 韧性环氧树脂 央翼盒 水平安定面和垂 H e x p l yM 2 1 直安定面蒙皮、中美国H e x c e l 公司 H e x p l yM 2 1 为高温同化 高韧性环氧树脂 央翼盒 水平尾翼、垂直尾 T 8 0 0 S 碳纤维日本东丽公司 翼、机翼、机身 l M 6 、I M 7 、I M 8水平尾翼、垂直尾I M 6 、I M 7 、I M 8 均为高强 波音7 8 7美国H e x e e l 公司 碳纤维翼、机翼、机身中模碳纤维 水平尾翼、垂直尾 T o r a y3 9 0 0 2 为高温固化 T o r a y3 9 0 0 - 2 日本东丽公司 翼、机翼、机身 高韧性环氧树脂 穗瞪曩镩曩墨囊目旧蠢啊墨礓盈躺曩匾龋 l M 7 ，5 2 5 0 4 蒙皮及边条 I M 7 ，P R 5 ( ) 0 R T M 隔框及框架 前机身 I M 7 ，P R 5 0 0 R T M油箱框架壁 I M 7 A P C 一2 电子设备及侧阵列舱门 I M 7 ，5 2 5 m _ 4蒙皮 I M 7 A P C - 2 中机身弹舱门蒙皮 I M 7 ，P R 5 0 0 R T M 弹舱门帽形加强件 I M 7 5 2 5 0 - 4后机身上蒙皮 I M 7 5 2 5 0 4 蒙皮 I M 7 5 2 5 0 4 R T M 机翼中介梁 I M 7 5 2 5 0 - 4 蒙皮+ 非金属蜂窝芯 操纵面 I M 7 ，5 2 5 0 4 垂直尾翼 蒙皮及支架 I M 7 5 2 5 0 - 4 丝束铺放枢轴 水平尾翼 I M 7 5 2 5 0 - 4 蒙皮 I M 7 9 7 7 - 3进气道蒙皮 I M 7 P R 5 0 0 R T M座舱支架、地板、加强肋 万方数据 大幅提升：将十几个零件甚至几十 个零件集成为尺寸从十几米到几十 米的整体结构，尽量减少由于连接 所付出的重量、连接所引起的应力 集中以及众多中小零件制造、装配 所需的工时和工装，以降低制造和 维护成本。因此复合材料整体化结 构的应用已成为新一代飞机结构的 发展方向。 1 整体结构固化成形技术 1 1 大型飞机复合材料壁板固化 成形技术 空客A 3 5 0 X W B 复合材料机翼 “T ”形加筋壁板( 见图3 ) 和波音7 8 7 复合材料机翼采用“工”字型加筋壁 板等。大型飞机复合材料机翼壁板 的制造：固化成形方式，考虑到经济 性和质量可靠性一般采用筋条和蒙 皮进行胶接共固化，也有采用共固化 和二次胶接的成形方式；蒙皮铺层 采用自动铺带技术；长桁组装采用 精确的定位技术；固化模具结构设 计，重点考虑温度场的均匀性及热膨 胀的影响，模具材料一般为殷瓦钢。 1 2 复合材料多墙盒段固化成形 技术 ( 1 ) 带工字型墙的多墙盒段的 成形固化工艺。 带工字型墙的多墙盒段的成形 可采用整体共固化工艺、